ES2778874T3 - Modular polyphase electrical machine - Google Patents
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Abstract
Motor eléctrico polifásico que comprende un rotor (2) y un estator (1), en el que el rotor comprende un número de imanes (7) dirigidos hacia el estator (1), y en el que el estator (2) incluye múltiples devanados (6) de fase dispuestos alrededor de una superficie circunferencial de dicho estator y dirigidos hacia dichos imanes, estando conectados dichos devanados (6) de fase a las unidades (10) de control adaptadas para aplicar selectivamente una corriente a dichos devanados de fase para inducir una fuerza electromagnética que actúa sobre los imanes del rotor para efectuar una rotación del rotor, en el que el motor comprende al menos dos unidades (10) de control, estando configurada cada unidad (10) de control para controlar el suministro de corriente a tres devanados (6) de fase de manera que se suministre una corriente de fase diferente a cada uno de los tres devanados de fase con un desplazamiento de fase entre dichas corrientes de fase diferentes de 120°, en el que no hay dos unidades de control que utilicen la misma fase de corriente, en el que los devanados (6) de fase son excitados por una de entre m fases de corriente diferentes, donde m es un múltiplo de 3 y al menos igual a 6, y en el que el desplazamiento de fase entre las fases de corriente es de 360°/m, y la disposición de devanados (6) de fase alrededor de la superficie circunferencial del estator (1) es tal que cada devanado (6) de fase es excitado por una corriente que tiene un desplazamiento de fase de 180°+180°/m con relación a la corriente en un devanado de fase adyacente, donde m es el número total de corrientes de fase.Polyphase electric motor comprising a rotor (2) and a stator (1), in which the rotor comprises a number of magnets (7) directed towards the stator (1), and in which the stator (2) includes multiple windings (6) phase arranged around a circumferential surface of said stator and directed towards said magnets, said phase windings (6) being connected to control units (10) adapted to selectively apply a current to said phase windings to induce an electromagnetic force acting on the magnets of the rotor to effect a rotation of the rotor, in which the motor comprises at least two control units (10), each control unit (10) being configured to control the supply of current to three phase windings (6) so that a different phase current is supplied to each of the three phase windings with a phase shift between said different phase currents of 120 °, in which there are no two units control is that they use the same current phase, in which the phase windings (6) are excited by one of m different current phases, where m is a multiple of 3 and at least equal to 6, and in the that the phase shift between the current phases is 360 ° / m, and the arrangement of phase windings (6) around the circumferential surface of the stator (1) is such that each phase winding (6) is excited by a current that has a phase shift of 180 ° + 180 ° / m relative to the current in an adjacent phase winding, where m is the total number of phase currents.
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Máquina eléctrica polifásica modularModular polyphase electrical machine
Campo técnicoTechnical field
La presente invención se refiere a máquinas eléctricas y, en particular, a motores eléctricos polifásicos para su uso en un cubo de rueda de un vehículo eléctrico.The present invention relates to electrical machines and, in particular, to polyphase electric motors for use in a wheel hub of an electric vehicle.
AntecedentesBackground
Los vehículos accionados eléctricamente requieren motores eléctricos que sean simples, seguros, altamente eficientes y que proporcionen un buen rendimiento. Los motores eléctricos se incluyen generalmente en uno de entre dos tipos, aquellos que tienen una tensión de funcionamiento alta y aquellos con una tensión de funcionamiento baja (típicamente de 50 V o menos). Los motores eléctricos de alta tensión suponen claramente un mayor riesgo de descarga eléctrica para las personas y los animales cuando se usan en un vehículo y, de esta manera, están sujetos a estrictos requisitos de seguridad, que los convierten en una solución compleja y por consiguiente de alto coste. Con el fin de proporcionar la misma potencia, los motores de baja tensión requieren una corriente de funcionamiento más alta, ya que la potencia es el producto de la corriente y la tensión. Sin embargo, el funcionamiento de los motores eléctricos trifásicos convencionales con altas corrientes de devanado plantea diversos problemas, incluyendo la necesidad de cables y conectores más grandes un controlador más complejo para una alta conmutación de corriente, requisitos de capacitancia más grandes y baja inductancia. Además, las pérdidas térmicas o las pérdidas en el cobre (resistencia de la bobina x corriente de bobina al cuadrado), debidas a la resistencia de los devanados se vuelven significativas.Electrically powered vehicles require electric motors that are simple, safe, highly efficient, and provide good performance. Electric motors are generally included in one of two types, those with a high operating voltage and those with a low operating voltage (typically 50 V or less). High voltage electric motors clearly pose an increased risk of electric shock to people and animals when used in a vehicle and are thus subject to strict safety requirements, which make them a complex solution and therefore high cost. In order to provide the same power, low voltage motors require a higher operating current, since power is the product of current and voltage. However, the operation of conventional three-phase electric motors with high winding currents poses various problems, including the need for larger cables and connectors, a more complex controller for high current switching, larger capacitance requirements, and low inductance. In addition, the thermal losses or losses in copper (coil resistance x coil current squared) due to the resistance of the windings become significant.
El documento WO 2004073157 describe un motor eléctrico de baja tensión con devanado distribuido destinado a abordar este problema. En este motor la corriente total se distribuye a través de varias bobinas o devanados, lo que reduce significativamente la corriente del devanado. Sin embargo, cada bobina se controla por separado, lo que requiere un controlador complejo con una gran cantidad de electrónica. Un motor eléctrico trifásico de baja tensión integrado en una rueda se describe también en el documento GB2462940A. Este motor tiene una serie de conjuntos de bobinas controlados independientemente distribuidos alrededor del estator. Cada conjunto de bobina comprende tres subconjuntos de bobina, donde cada subconjunto de bobina es excitado en una fase diferente. Sin embargo, las mismas tres fases se usan en cada conjunto de bobina. Esta disposición proporciona una cierta simplificación sobre la divulgación del documento WO 2004073157, sin embargo, el controlador todavía es complejo, ya que requiere un controlador CPU independiente para cada conjunto de bobina.WO 2004073157 describes a distributed winding low voltage electric motor intended to address this problem. In this motor the total current is distributed through several coils or windings, which significantly reduces the winding current. However, each coil is controlled separately, requiring a complex controller with a large amount of electronics. A low voltage three-phase electric motor integrated in a wheel is also described in GB2462940A. This motor has a series of independently controlled coil sets distributed around the stator. Each coil assembly comprises three coil subsets, where each coil subassembly is driven in a different phase. However, the same three phases are used in each coil assembly. This arrangement provides some simplification over the disclosure of WO 2004073157, however the controller is still complex as it requires a separate CPU controller for each coil assembly.
En el documento CN 102868343 A se refiere a un motor sin escobillas, de imanes permanentes, de onda cuadrada de seis fases de corriente continua, que comprende un controlador, un circuito de excitación de bobinado de arranque, un grupo de circuitos de detección de valor de inductancia de bobinado desenergizado bajo un pulso de excitación y un cuerpo de motor sin escobillas, en el que el controlador está conectado al cuerpo de motor sin escobillas respectivamente, a través del circuito de excitación del devanado de arranque y el grupo circuitos de detección de valor de inductancia de devanado desenergizado bajo pulso de excitación.In CN 102868343 A it refers to a direct current six phase square wave permanent magnet brushless motor comprising a controller, a start winding drive circuit, a group of value sensing circuits of de-energized winding inductance under an excitation pulse and a brushless motor body, in which the controller is connected to the brushless motor body respectively, through the starting winding driving circuit and the group detection circuits inductance value of de-energized winding under excitation pulse.
El documento US 2003/085627 A1 divulga un sistema de accionamiento de motor, que tiene dos fuentes de alimentación con la misma frecuencia y un componente de secuencia cero adicional en una tercera frecuencia armónica, estando las fuentes de alimentación conectadas a los terminales de dos devanados del estator.Document US 2003/085627 A1 discloses a motor drive system, which has two power sources with the same frequency and an additional zero sequence component at a third harmonic frequency, the power sources being connected to the terminals of two windings of the stator.
De esta manera, aunque se conoce la provisión de motores eléctricos de baja tensión y alta corriente, hay una necesidad de proporcionar dichos motores de una manera sencilla y rentable que no comprometa el alto rendimiento.Thus, although the provision of low voltage and high current electric motors is known, there is a need to provide such motors in a simple and cost effective manner that does not compromise on high performance.
SumarioSummary
Los objetos anteriores y otros se consiguen en un motor eléctrico polifásico según las características de la reivindicación independiente 1.The above and other objects are achieved in a polyphase electric motor according to the characteristics of independent claim 1.
Mediante la utilización de dos o más unidades de control, operando cada una esencialmente como controladores trifásicos simples que controlan fases de corriente que están separadas 120°, sin embargo, cada una controlando diferentes fases que la otra unidad o unidades de control, la corriente puede distribuirse sobre al menos seis fases. De esta manera se permite la operación a baja tensión sin las desventajas asociadas de corrientes elevadas y, al mismo tiempo, el control se simplifica enormemente con relación a los sistemas convencionales.By utilizing two or more control units, each operating essentially as simple three-phase controllers controlling current phases that are 120 ° apart, however, each controlling different phases than the other control unit or units, current can be distributed over at least six phases. In this way, low voltage operation is allowed without the associated disadvantages of high currents, and at the same time, control is greatly simplified relative to conventional systems.
Según una realización particularmente preferida de la invención, los devanados de fase controlados por una única unidad de control se seleccionan de la secuencia de devanados de fase de la siguiente manera: si k es el número de unidades de control que controlan el suministro de un total de m corrientes de fase a los devanados de fase, cada uno de los k módulos de control está configurado para controlar los devanados de fase i, i m/3, i m*2/3, donde i es un número entero que satisface 1 < i < k. According to a particularly preferred embodiment of the invention, the phase windings controlled by a single control unit are selected from the sequence of phase windings as follows: if k is the number of control units that control the supply of a total from m phase currents to the phase windings, each of the k control modules is configured to control the phase windings i, im / 3, im * 2/3, where i is an integer satisfying 1 <i <k.
Los tres devanados de fase controlados por cada unidad de control pueden disponerse en una configuración en estrella (configuración Y) o en una configuración delta.The three phase windings controlled by each control unit can be arranged in a star configuration (Y configuration) or in a delta configuration.
Según una realización preferida de la presente invención, cada unidad de control comprende un circuito de medio puente trifásico configurado para energizar los devanados de fase preferiblemente con una forma de onda de corriente sustancialmente rectangular.According to a preferred embodiment of the present invention, each control unit comprises a three-phase half bridge circuit configured to energize the phase windings preferably with a substantially rectangular current waveform.
Este tipo de circuito controlador es simple de construir o está fácilmente disponible y constituye una forma de control simple pero altamente eficaz. El control es particularmente sencillo, cuando se usa una forma de onda rectangular para excitar los devanados de fase, ya que el circuito controlador sólo necesita energías para dos de los tres devanados de fase conectados en un momento determinado. De manera alternativa, el circuito de medio puente trifásico puede estar configurado para usar una forma de onda de corriente sustancialmente trapezoidal o sinusoidal.This type of controller circuit is either simple to build or readily available and is a simple but highly effective form of control. Control is particularly straightforward, when a rectangular waveform is used to drive the phase windings, since the driver circuit only needs energies for two of the three connected phase windings at any one time. Alternatively, the three-phase half-bridge circuit may be configured to use a substantially trapezoidal or sinusoidal current waveform.
Según una realización adicional, al menos un controlador está dispuesto para controlar el funcionamiento de al menos una unidad de control. En dicha disposición, los controladores para cada unidad de control pueden ser independientes uno de otro o pueden estar conectados en red de alguna manera para permitir un intercambio de información.According to a further embodiment, at least one controller is arranged to control the operation of at least one control unit. In such an arrangement, the controllers for each control unit may be independent of each other or may be networked in some way to allow an exchange of information.
En una realización preferida, un controlador central está dispuesto para controlar el funcionamiento de todas las unidades de control con el fin de proporcionar un control fino suficiente a la rotación del rotor mediante el control de la secuencia de aplicación de cada una de las diferentes corrientes de fase a los devanados de fase.In a preferred embodiment, a central controller is arranged to control the operation of all the control units in order to provide sufficient fine control to the rotation of the rotor by controlling the sequence of application of each of the different currents of phase to phase windings.
El controlador o los controladores utilizan preferiblemente modulación de anchura de pulsos.The controller or controllers preferably use pulse width modulation.
Según una realización adicional, cada devanado de fase comprende uno o más elementos de bobina conectados en paralelo o en serie. Preferiblemente, cada devanado de fase comprende al menos dos elementos de bobina que están distribuidos uniformemente alrededor de la superficie circunferencial del estator.According to a further embodiment, each phase winding comprises one or more coil elements connected in parallel or in series. Preferably, each phase winding comprises at least two coil elements that are uniformly distributed around the circumferential surface of the stator.
Según un aspecto adicional, la invención se refiere a un vehículo accionado eléctricamente con al menos una rueda, que comprende un motor eléctrico integrado en una rueda tal como se ha descrito anteriormente.According to a further aspect, the invention relates to an electrically driven vehicle with at least one wheel, comprising an electric motor integrated in a wheel as described above.
Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings
Otras características y ventajas de la invención se harán evidentes a partir de la siguiente descripción de las realizaciones preferidas que se proporciona a modo de ejemplo con referencia a los dibujos adjuntos. En las figuras:Other features and advantages of the invention will become apparent from the following description of the preferred embodiments which is provided by way of example with reference to the accompanying drawings. In the figures:
La Fig. 1 ilustra esquemáticamente un motor eléctrico polifásico integrado en una rueda según una realización de la presente invención,Fig. 1 schematically illustrates a polyphase electric motor integrated in a wheel according to an embodiment of the present invention,
La Fig. 2a ilustra las formas de onda de tensión inducidas por los devanados de fase dispuestos secuencialmente para cada fase del motor eléctrico polifásico,Fig. 2a illustrates the voltage waveforms induced by the phase windings arranged sequentially for each phase of the polyphase electric motor,
La Fig. 2b ilustra formas de onda de corriente de excitación para los devanados de fase dispuestos secuencialmente del motor eléctrico polifásico,Fig. 2b illustrates drive current waveforms for the sequentially arranged phase windings of the polyphase electric motor,
La Fig. 3 ilustra esquemáticamente la disposición de control modular trifásica para el motor eléctrico polifásico según una realización de la invención,Fig. 3 schematically illustrates the three-phase modular control arrangement for the polyphase electric motor according to an embodiment of the invention,
La Fig.4 ilustra esquemáticamente una única unidad de control modular trifásica, yFig. 4 schematically illustrates a single three-phase modular control unit, and
La Fig. 5 ilustra esquemáticamente la unidad de control central del motor eléctrico polifásico según una realización de la invención.Fig. 5 schematically illustrates the central control unit of the polyphase electric motor according to an embodiment of the invention.
Descripción detalladaDetailed description
En la siguiente descripción se hace referencia indistintamente a una máquina eléctrica y a un motor eléctrico. Generalmente, se entiende que la expresión "máquina eléctrica" cubre tanto un motor eléctrico como un generador eléctrico. En el contexto de la presente invención, sin embargo, la expresión motor eléctrico no se limita a una disposición que convierte energía eléctrica en movimiento, sino que se pretende que abarque también una disposición en la que el movimiento puede generar energía. Las expresiones máquina eléctrica y generador eléctrico se usan de esta manera indistintamente a lo largo de esta divulgación, sin ninguna distinción prevista en su significado. A lo largo de las diversas figuras a las que se hace referencia en la siguiente descripción, se han usado los mismos números de referencia para las partes similares.In the following description, reference is made interchangeably to an electric machine and an electric motor. Generally, the term "electric machine" is understood to cover both an electric motor and an electric generator. In the context of the present invention, however, the term "electric motor" is not limited to an arrangement that converts electrical energy into motion, but is intended to also encompass an arrangement in which motion can generate energy. The terms electric machine and electric generator are used interchangeably throughout this disclosure, without any intended distinction in meaning. Throughout the various figures referred to in the following description, the same reference numerals have been used for like parts.
La Fig. 1 representa una máquina eléctrica adecuada para su uso integrado en ruedas, es decir, para su instalación en el cubo de rueda de un vehículo accionado eléctricamente. La máquina comprende un estator 1 interior fijo y un rotor 2 exterior que es giratorio alrededor del estator 1. Entre el rotor 2 y el estator 1 hay un pequeño espacio 3 de aire. En la realización ilustrada, el rotor está dispuesto fuera del estator interior, sin embargo, se apreciará que la posición de estos elementos puede invertirse para proporcionar un rotor giratorio interior y un estator fijo exterior. El estator 1 interior está realizado en material magnético y está fijado a un eje 4. En su circunferencia exterior, el estator 1 está provisto de un número de ranuras 5 en la que hay elementos 6 de bobina concentrados. Las ranuras 5 definen esencialmente partes salientes, alrededor de las cuales hay dispuesto un elemento 6 de bobina. En la realización ilustrada, el estator 1 tiene 18 ranuras 5 y está provisto de esta manera de 18 elementos 6 de bobina. T ras la rotación del rotor 20 alrededor del estator, se induce una tensión o fuerza electromotriz en cada elemento 6 de bobina que tiene una fase diferente a la inducida en los elementos 6 de bobina adyacentes. En la realización ilustrada, los elementos de bobina tienen voltajes inducidos en nueve fases diferentes representadas por las letras A, B, C, D, E, F, G, H e I en la Fig. 1. Además, dos elementos 6 de bobina tendrán la misma fase de tensión inducida. Estos dos elementos 6 de bobina están situados en posiciones diametralmente opuestas en el estator. Por ejemplo, con referencia a la Fig. 1, los dos elementos A de bobina que tienen la misma fase de tensión inducida están centrados en la línea de trazos y puntos que se cruza con el radio del estator verticalmente. En la realización ejemplar, los dos elementos 6 de cada fase están conectados juntos en serie, aunque una conexión en paralelo es también posible. Se entenderá que son posibles realizaciones en las que todos los elementos de bobina dispuestos en un estator serán alimentados a una fase eléctrica diferente. De manera similar, son posibles realizaciones en las que más de dos elementos de bobina están conectados entre sí y alimentados a la misma fase eléctrica. Para los propósitos de esta divulgación, cada elemento de bobina o grupo de elementos de bobina que tienen la misma fase eléctrica, bien como una corriente de excitación o como una tensión inducida, se denominará un bobinado 6 de fase.Fig. 1 represents an electric machine suitable for use integrated into wheels, that is, for installation in the wheel hub of an electrically powered vehicle. The machine comprises a fixed inner stator 1 and an outer rotor 2 which is rotatable around the stator 1. Between the rotor 2 and the stator 1 there is a small air gap 3. In the In the illustrated embodiment, the rotor is disposed outside the inner stator, however, it will be appreciated that the position of these elements may be reversed to provide an inner rotating rotor and an outer fixed stator. The inner stator 1 is made of magnetic material and is fixed to a shaft 4. On its outer circumference, the stator 1 is provided with a number of grooves 5 in which there are concentrated coil elements 6. The grooves 5 essentially define projecting parts, around which a coil element 6 is arranged. In the illustrated embodiment, the stator 1 has 18 grooves 5 and is thus provided with 18 coil elements 6. Upon rotation of the rotor 20 around the stator, a voltage or electromotive force is induced in each coil element 6 which has a different phase than that induced in adjacent coil elements 6. In the illustrated embodiment, the coil elements have induced voltages in nine different phases represented by the letters A, B, C, D, E, F, G, H, and I in Fig. 1. Additionally, two coil elements 6 they will have the same induced voltage phase. These two coil elements 6 are located in diametrically opposite positions on the stator. For example, referring to Fig. 1, the two coil elements A having the same induced voltage phase are centered on the dashed-dotted line that intersects the radius of the stator vertically. In the exemplary embodiment, the two elements 6 of each phase are connected together in series, although a parallel connection is also possible. It will be understood that embodiments are possible in which all coil elements arranged in a stator will be fed to a different electrical phase. Similarly, embodiments are possible in which more than two coil elements are connected to each other and powered to the same electrical phase. For the purposes of this disclosure, each coil element or group of coil elements having the same electrical phase, either as an exciting current or as an induced voltage, will be referred to as a phase winding 6.
El rotor 2 está realizado también en material magnético, por ejemplo, acero, y tiene 20 imanes 7 fijos en una superficie interior. Los imanes están dispuestos con polaridad N-S y S-N diametralmente alternada y están separados uno de otro por un espacio muy pequeño. El número de imanes 7 es esencialmente una opción de diseño, sin embargo, es importante que los imanes 7 y las bobinas nunca puedan alinearse perfectamente, ya que el motor podría llegar a pararse en una posición en la que no se aplican fuerzas de rotación. Además, el par de reluctancia puede reducirse seleccionando el número de imanes que están cerca del número de elementos 6 de bobina.The rotor 2 is also made of magnetic material, for example steel, and has 20 magnets 7 fixed on an inner surface. The magnets are arranged with polarity N-S and S-N diametrically alternated and are separated from each other by a very small space. The number of magnets 7 is essentially a design option, however it is important that the magnets 7 and the coils can never be perfectly aligned, as the motor could come to stop in a position where no rotational forces are applied. Also, the reluctance torque can be reduced by selecting the number of magnets that are close to the number of coil elements 6.
Cuando el rotor 2 se hace girar alrededor del estator 1, de manera que los imanes 7 pasen sobre los elementos 6 de bobina, un voltaje inducido o fem periódica se induce en los elementos 6, como resultado de los cambios de flujo magnético. La Fig. 2a muestra las nueve señales de tensión, Ua, Ub, Uc, Ud, Ue, Uf, Ug, Uh y Ui que se inducen en los devanados 6 de fase de cada una de las nueve fases A a I durante un período eléctrico a medida que el rotor 2 se mueve alrededor del estator 1. Se producen varios períodos de tensión durante una rotación completa del rotor 2 alrededor del estator. Más específicamente, un período eléctrico corresponde a un período de rotación/número de pares de imanes. Tal como es evidente a partir de la Fig. 2a, la tensión inducida tiene una forma trapezoidal periódica que depende de la posición angular del rotor 2. Tomando como ejemplo la tensión Ua inducida que aparece en el devanado A de fase, puede observarse en la Fig. 2a que este tiene 0 V al principio del período, es decir, a 0°, a continuación, aumenta linealmente entre 0° y 30° donde alcanza un valor positivo constante. Este valor se mantiene hasta 150° en cuyo ángulo la tensión inducida disminuye linealmente hasta 210°, después de lo cual se alcanza un valor negativo constante. Este valor se mantiene hasta 330° después de lo cual la tensión aumenta linealmente hasta llegar a 0 V al final del período en 360°. Cada devanado de fase subsiguiente tiene una fase de voltaje que está desplazada 200° (es decir, un valor absoluto de 20° e invertida), de manera que la tensión inducida en el devanado B de fase disminuye entre las posiciones angulares de 20° a 50°, en cuya posición alcanza un valor negativo constante. En general, el desplazamiento de fase entre las fases de los devanados de fase geométricamente adyacentes puede definirse como 180° 180°/m, donde m es el número de fases. De esta manera, para un motor que tiene 6 fases, el desplazamiento de fase entre los devanados de fase adyacentes sería 210° y para un motor con 12 fases, el desplazamiento de fase sería de 195°.When the rotor 2 is rotated around the stator 1, so that the magnets 7 pass over the coil elements 6, an induced voltage or periodic emf is induced in the elements 6, as a result of magnetic flux changes. Fig. 2a shows the nine voltage signals, U a , U b , U c , U d , U e , U f , U g , U h and U i that are induced in the phase windings 6 of each of the nine phases A through I during an electrical period as rotor 2 moves around stator 1. Various periods of stress occur during a complete rotation of rotor 2 around the stator. More specifically, an electrical period corresponds to a period of rotation / number of pairs of magnets. As is evident from Fig. 2a, the induced voltage has a periodic trapezoidal shape that depends on the angular position of rotor 2. Taking as an example the induced voltage U a that appears in phase winding A, it can be observed in Fig. 2a shows that this has 0 V at the beginning of the period, that is, at 0 °, then it increases linearly between 0 ° and 30 ° where it reaches a constant positive value. This value is maintained up to 150 ° at which angle the induced voltage decreases linearly to 210 °, after which a constant negative value is reached. This value is held up to 330 ° after which the voltage increases linearly until it reaches 0 V at the end of the period by 360 °. Each subsequent phase winding has a voltage phase that is 200 ° shifted (that is, an absolute value of 20 ° and reversed), so that the induced voltage in phase winding B decreases between the angular positions of 20 ° to 50 °, at which position it reaches a constant negative value. In general, the phase shift between the phases of the geometrically adjacent phase windings can be defined as 180 ° 180 ° / m, where m is the number of phases. Thus, for a motor with 6 phases, the phase shift between adjacent phase windings would be 210 ° and for a motor with 12 phases, the phase shift would be 195 °.
Aunque en la realización ilustrada la tensión inducida tiene esencialmente forma trapezoidal, esto depende de un número de factores conocidos, que incluyen el tamaño y la forma de los imanes, la geometría del estator, el tipo de devanados, etc., de manera que una persona con conocimientos ordinarios en la técnica sería capaz de modificar la máquina para conseguir una forma de onda de tensión inducida diferente mediante la alteración de los elementos del diseño.Although in the illustrated embodiment the induced voltage is essentially trapezoidal in shape, this is dependent on a number of known factors, including the size and shape of the magnets, the geometry of the stator, the type of windings, etc., such that a A person of ordinary skill in the art would be able to modify the machine to achieve a different induced voltage waveform by altering the design elements.
Con el fin de causar la rotación del motor eléctrico, cada devanado 6 de fase debe ser energizado por un flujo de corriente en la manera secuencial correcta. Una forma de onda de corriente ideal tendría la misma forma y signo que la tensión inducida ilustrada en la Fig. 2a, pero una forma de onda rectangular se usa más comúnmente en un control de corriente simple, ya que es más fácil de conseguir. La Fig. 2b muestra formas de onda de corriente, Ia, Ib, Ic, Id, Ie, If, Ig, Ih e Ii representativas suministradas a cada uno de los devanados A a I de bobina. Cabe señalar que, como resultado de la forma de onda rectangular, cada fase corriente tiene un valor constante durante 2/3 de todo el período en posiciones correspondientes a un pico en la tensión inducida, pero es cero durante el tercio restante del período. Tomando como ejemplo la corriente suministrada a la primera fase, Ia tiene un valor de cero desde 0° a 30°, a continuación, un valor positivo constante, I0 desde 30° a 150°, de nuevo cero desde 150° a 210°, un valor constante negativo, - I0, desde 210° a 330° y finalmente cero entre 330° y 360°. La forma de onda de corriente para cada fase subsiguiente se está desplazada 200° (es decir, 20° e invertida). In order to cause the electric motor to rotate, each phase winding 6 must be energized by a current flow in the correct sequential manner. An ideal current waveform would have the same shape and sign as the induced voltage illustrated in Fig. 2a, but a rectangular waveform is more commonly used in simple current control as it is easier to achieve. Fig. 2b shows representative current waveforms, I a , I b , I c , I d , I e , I f , I g , I h and I i supplied to each of the coil windings A to I . It should be noted that, as a result of the rectangular waveform, each current phase has a constant value for 2/3 of the entire period at positions corresponding to a peak in the induced voltage, but is zero for the remaining third of the period. Taking as an example the current supplied to the first phase, I a has a value of zero from 0 ° to 30 °, then a constant positive value, I0 from 30 ° to 150 °, again zero from 150 ° to 210 ° , a negative constant value, - I0, from 210 ° to 330 ° and finally zero between 330 ° and 360 °. The current waveform for each subsequent phase is being shifted 200 ° (ie, 20 ° and reversed).
Mediante la distribución de la corriente en más de nueve fases de esta manera, es posible proporcionar una secuencia de conmutación de corriente adecuada para controlar el motor con un rizado de par mínimo. Más generalmente, se ha observado que, mediante el empleo de múltiplos de tres fases, pero al menos seis fases, es posible reducir el rizado del par en varios factores en comparación con los motores que usan tres o menos fases. Además, el control de las formas de onda de corriente puede conseguirse de una manera particularmente simple tal como se describe a continuación.By distributing the current over more than nine phases in this way, it is possible to provide a suitable current switching sequence to control the motor with minimal torque ripple. More generally, it has been observed that, by using multiples of three phases, but at least six phases, it is possible to reduce the torque ripple by several factors compared to motors using three or fewer phases. Furthermore, the control of the current waveforms can be achieved in a particularly simple way as described below.
Con referencia a la Fig. 3, se muestra un esquema que ilustra el control de corriente para las diversas fases de devanado. Según la presente invención, el control o el accionamiento de corriente a través de los diferentes devanados 6 de fase se efectúa usando módulos 10 de control independientes, controlando cada uno tres fases diferentes. Tal como se muestra en la Fig. 3, se ilustran tres módulos 10 de control, estando cada uno conectado a tres devanados de fase, que son alimentados por tres fases de corriente diferentes. Los tres devanados de fase se seleccionan de manera que las corrientes y las tensiones de fase inducidas entre los devanados de fase estén desplazados entre sí 120°. Se reconocerá que la secuencia geométrica de las corrientes de fase mostrada en la Fig. 2b no es la misma que en el dominio eléctrico. En el dominio eléctrico, las nueve fases están desplazadas secuencialmente 40° (es decir, 360° dividido por el número de fases). Usando las referencias de corriente en la Fig. 2b, las fases de corriente tienen una secuencia de fase eléctrica de Ia, Ic, Ie, Ig, Ii, Ib, Id, If e Ih. De esta manera, un primer módulo 10 de control trifásico (controlador 1), controla la corriente para las fases A, G y D. El segundo módulo 10 de control (controlador 2) controla la corriente para las fases B, H y E, mientras que el tercer módulo 10 de control (controlador 3) controla la corriente para las fases C, I y F. Los devanados 3 de fase conectados a cada módulo 10 de control se muestran en una configuración en estrella. Sin embargo, también es posible conectarlas en una configuración en triángulo. La orientación de cada bobina se ilustra mediante un punto en la Fig. 3, y también en las Figs. 2 y 4. Al seleccionar tres fases que están desplazadas entre sí 120°, es posible utilizar una estrategia de control trifásico simple empleada comúnmente para los motores eléctricos de CC sin escobillas (conocidos también como motores BLDC), donde en cualquier momento sólo conducen corriente dos fases. Esto puede comprenderse mejor con referencia a la Fig. 2b. Cuando se consideran las formas de onda de corriente que alimentan los devanados 6 de fase A, G y D, es evidente que, en cualquier posición angular individual, uno de los devanados 6 de fase tendrá una corriente aplicada de cero, mientras que los dos restantes serán alimentados por las corrientes de pico de polaridad opuesta. Por ejemplo, cuando se considera la posición angular de 180°, el devanado A de fase no recibe ninguna corriente de excitación, el devanado D de fase tiene una corriente de excitación positiva y el devanado G de fase tiene una corriente de excitación negativa. Evidentemente, esto no es aplicable cuando se usan formas de onda más complejas, tales como trapezoidales o sinusoidales, pero puede conseguirse para formas de onda rectangulares.With reference to Fig. 3, a schematic is shown illustrating current control for the various phases of winding. According to the present invention, the control or driving of current through the different phase windings 6 is effected using independent control modules 10, each controlling three different phases. As shown in Fig. 3, three control modules 10 are illustrated, each being connected to three phase windings, which are powered by three different current phases. The three phase windings are selected so that the phase currents and voltages induced between the phase windings are offset by 120 ° from each other. It will be recognized that the geometric sequence of the phase currents shown in Fig. 2b is not the same as in the electrical domain. In the electrical domain, the nine phases are sequentially shifted 40 ° (that is, 360 ° divided by the number of phases). Using the current references in Fig. 2b, the current phases have an electrical phase sequence of I a , I c , I e , I g , I i , I b , I d , I f, and I h . In this way, a first three-phase control module 10 (controller 1) controls the current for phases A, G and D. The second control module 10 (controller 2) controls the current for phases B, H and E, while the third control module 10 (controller 3) controls the current for phases C, I and F. The phase windings 3 connected to each control module 10 are shown in a star configuration. However, it is also possible to connect them in a triangle configuration. The orientation of each coil is illustrated by a dot in Fig. 3, and also in Figs. 2 and 4. By selecting three phases that are offset 120 ° from each other, it is possible to use a simple three-phase control strategy commonly used for brushless DC electric motors (also known as BLDC motors), where at any one time they only conduct current Two phases. This can be better understood with reference to Fig. 2b. When considering the current waveforms feeding the phase windings 6 A, G and D, it is evident that, at any individual angular position, one of the phase windings 6 will have an applied current of zero, while the two remaining will be fed by the peak currents of opposite polarity. For example, when considering the 180 ° angular position, phase winding A does not receive any exciting current, phase winding D has positive exciting current, and phase winding G has negative exciting current. Of course, this is not applicable when using more complex waveforms, such as trapezoidal or sinusoidal, but can be achieved for rectangular waveforms.
Este enfoque modular de control de la corriente de devanado de fase puede aplicarse a cualquier configuración polifásica en la que el número de fases es un múltiplo de 3, es decir, m = k*3, donde k es un entero mayor o igual que 2 y m es el número de fases. De esta manera, este control trifásico modular puede aplicarse cuando se usan 6, 9, 12, 15, 18 o más fases, por ejemplo. Más generalmente, para m devanados de fase con un desplazamiento de fase de 360°/m, se requieren k módulos de control. Además, cada uno de los k módulos de control controlará los devanados de bobina i, i m/3, i m *2/3, donde i es un número entero que satisface 1 < i < k. Aplicando esto a la realización ejemplar de la Fig. 1, un primer módulo 10 de control controla los devanados 6 de bobina 1°, 4° y 7°, que corresponde a A, D y G. El segundo módulo 10 de control controla los devanados de fase 2°, 5° y 8°, que corresponden a B, E y H, mientras que el tercer módulo 10 de control controla los devanados de fase 3°, 6° y 9°, que corresponden a C, F e I.This modular approach to phase winding current control can be applied to any polyphase configuration in which the number of phases is a multiple of 3, that is, m = k * 3, where k is an integer greater than or equal to 2 and m is the number of phases. In this way, this modular three-phase control can be applied when using 6, 9, 12, 15, 18 or more phases, for example. More generally, for m phase windings with a phase shift of 360 ° / m, k control modules are required. Also, each of the k control modules will control coil windings i, i m / 3, i m * 2/3, where i is an integer satisfying 1 <i <k. Applying this to the exemplary embodiment of Fig. 1, a first control module 10 controls the 1st, 4th, and 7th coil windings 6, corresponding to A, D, and G. The second control module 10 controls the 2nd, 5th and 8th phase windings, which correspond to B, E and H, while the third control module 10 controls the 3rd, 6th and 9th phase windings, which correspond to C, F and I.
Aunque en la realización ejemplar, las corrientes de excitación tienen una forma de onda rectangular, se apreciará que pueden usarse otras funciones periódicas para la corriente de control en cada uno de los módulos 10 de control trifásicos con el fin de adaptarlos a otros motores magnéticos, incluyendo, pero sin limitarse a, una forma de onda trapezoidal y una forma de onda sinusoidal. Cada módulo 10 de control puede controlarse independientemente de los otros.Although in the exemplary embodiment, the drive currents have a rectangular waveform, it will be appreciated that other periodic functions may be used for the control current in each of the three-phase control modules 10 to accommodate other magnetic motors, including, but not limited to, a trapezoidal waveform and a sinusoidal waveform. Each control module 10 can be controlled independently of the others.
Aunque el módulo 10 de control ilustrado en la Fig. 3 se muestra conectado a sólo tres devanados de fase, debería entenderse que cada bobina ilustrado pretende representar todos los devanados de fase excitados por la misma corriente de fase.Although the control module 10 illustrated in Fig. 3 is shown connected to only three phase windings, it should be understood that each illustrated coil is intended to represent all phase windings driven by the same phase current.
Un módulo 10 de control trifásico individual se representa en la Fig. 4. Tal como se ilustra más claramente en la Fig.4, los tres devanados A, D y G de bobina están conectados entre sí en una configuración en estrella (configuración Y). Con el fin de controlar la corriente de las tres fases, el módulo de control comprende seis elementos 14 de conmutación semiconductores dispuestos en una configuración de medio puente y conectados a una fuente 12 de alimentación de CC. En la realización ilustrada, estos elementos de conmutación son transistores de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico (MOSFET), aunque puede usarse otra tecnología de semiconductor, tal como transistores bipolares de puerta aislada (IGBT). Los elementos 14 de conmutación son controlados por señales 1L, 1H, 2H, 2L, 3H, 3L lógicas proporcionada por una unidad de control externa (véase la Fig. 5). La estructura y la función de este tipo de módulo de control trifásico son bien conocidas en el campo del control de motores eléctricos y no se explicarán en detalle en el presente documento. En esencia, las señales de control actúan para operar los conmutadores de dos en dos para conectar dos ramas de los devanados de bobina a la fuente de alimentación de CC en cada momento. Cada conmutador 14 está en funcionamiento durante un tercio del tiempo. A single three-phase control module 10 is depicted in Fig. 4. As illustrated more clearly in Fig. 4, the three coil windings A, D, and G are connected to each other in a star configuration (Y-configuration). . In order to control the current of the three phases, the control module comprises six semiconductor switching elements 14 arranged in a half-bridge configuration and connected to a DC power source 12. In the illustrated embodiment, these switching elements are metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs), although other semiconductor technology may be used, such as insulated gate bipolar transistors (IGBTs). The switching elements 14 are controlled by logic signals 1L, 1H, 2H, 2L, 3H, 3L provided by an external control unit (see Fig. 5). The structure and function of this type of three-phase control module are well known in the field of electric motor control and will not be explained in detail here. In essence, the control signals act to operate the switches two at a time to connect two branches of the coil windings to the DC power source at each moment. Each switch 14 is in operation for one third of the time.
Las señales de control para cada uno de los elementos 100 de conmutación son proporcionadas por una unidad 20 de procesamiento (CPU) tal como se muestra en la Fig. 5. La unidad 20 de procesamiento tiene varias interfaces 30, 40, 50 a través de los cuales las señales son recibidas desde o transmitidas a diversos elementos en el motor o en los módulos 10 de control. Más específicamente, la unidad 20 de procesamiento recibe los datos de posición desde el motor a través de una interfaz 30 de datos de posición. Estos datos de posición indican la orientación del rotor 2 con relación al estator 1. La unidad 20 de procesamiento recibe además datos acerca de la corriente medida en cada módulo 10 de control a través de una interfaz 40 de datos de corriente. En virtud de del simple control trifásico efectuado en cada módulo de control, sólo es necesario determinar una única corriente de fase, es decir, la corriente a través de un único devanado. En el caso de usarse una forma de onda de onda de fase de corriente trapezoidal u otra forma, deben medirse al menos dos corrientes de fase en cada módulo. Por último, la unidad 20 de procesamiento envía señales de control a cada módulo 10 de control a través de la interfaz 50 de control de corriente. En base a la posición medida obtenida a través de la interfaz de datos de posición y la corriente medida en cada módulo obtenida a través de la interfaz 40 de datos de corriente, la unidad 20 de procesamiento envía señales de control a cada módulo 10 de control a través de la interfaz 50 de control de corriente con el fin de conseguir la secuencia requerida de conmutación de corriente de fase y magnitud de corriente de fase. Se aplica una estrategia de control común de conmutación rápida de elementos de conmutación, tal como una modulación de anchura de pulsos (PWM).The control signals for each of the switching elements 100 are provided by a processing unit 20 (CPU) as shown in Fig. 5. The processing unit 20 has various interfaces 30, 40, 50 through which signals are received from or transmitted to various elements in the motor or control modules 10. More specifically, the processing unit 20 receives the position data from the motor through a position data interface 30. This position data indicates the orientation of rotor 2 relative to stator 1. The processing unit 20 further receives data about the current measured in each control module 10 through a current data interface 40. By virtue of the simple three-phase control performed in each control module, it is only necessary to determine a single phase current, that is, the current through a single winding. In the case of using a trapezoidal current phase waveform or other shape, at least two phase currents must be measured in each module. Finally, the processing unit 20 sends control signals to each control module 10 through the current control interface 50. Based on the measured position obtained through the position data interface and the current measured in each module obtained through the current data interface 40, the processing unit 20 sends control signals to each control module 10 through the current control interface 50 in order to achieve the required phase current and phase current magnitude switching sequence. A common fast-switching control strategy of switching elements is applied, such as pulse width modulation (PWM).
El uso de los módulos de control modulares y una unidad de procesamiento común significa que se consigue una reducción de hardware significativa para los accionamientos de motor polifásicos. Además, mediante una selección apropiada de las fases, es posible controlar cualquier múltiplo de 3 fases, de una manera muy simple, y aun así conseguir una distribución de corriente óptima en un motor eléctrico de baja tensión.The use of modular control modules and a common processing unit means that significant hardware reduction is achieved for polyphase motor drives. Furthermore, by appropriate selection of the phases, it is possible to control any multiple of 3 phases, in a very simple way, and still achieve an optimal current distribution in a low voltage electric motor.
Aunque en la realización ejemplar, se proporciona una única unidad 20 de procesamiento o controlador común para controlar el funcionamiento de todas las unidades 10 de control, se entenderá que esta función puede implementarse mediante controladores individuales dedicados dispuestos para controlar una o más unidades de control en respuesta a las señales de posición y la corriente medida.Although in the exemplary embodiment, a single common controller or processing unit 20 is provided to control the operation of all control units 10, it will be understood that this function may be implemented by dedicated individual controllers arranged to control one or more control units in response to position signals and measured current.
Tal como se ha explicado con referencia a las Figs. 1 y 3, la disposición secuencial de los devanados A-I de fase no es la misma que el orden de las fases en el dominio eléctrico. Sin embargo, la presente invención no está limitada a la disposición geométrica específica mostrada en la realización ejemplar. Más bien, los devanados de fase pueden configurarse en una secuencia que representa un desplazamiento de fase creciente en el dominio eléctrico, o en otra disposición.As explained with reference to Figs. 1 and 3, the sequential arrangement of the phase windings A-I is not the same as the order of the phases in the electrical domain. However, the present invention is not limited to the specific geometric arrangement shown in the exemplary embodiment. Rather, the phase windings can be configured in a sequence representing increasing phase shift in the electrical domain, or in another arrangement.
Debería entenderse que la invención no está limitada a la realización precisa mostrada y la disposición descrita anteriormente puede aplicarse a una gama de máquinas eléctricas diferentes, incluyendo, pero sin limitarse a, máquina eléctrica PSMS, máquinas de reluctancia y motores eléctricos lineales.It should be understood that the invention is not limited to the precise embodiment shown and the arrangement described above can be applied to a range of different electrical machines, including, but not limited to, PSMS electrical machines, reluctance machines, and linear electric motors.
Números de referenciaReference numbers
1. Estator1. Stator
2. Rotor2. Rotor
. Espacio de aire. Air space
4. Eje de cojinete4. Bearing shaft
5. Ranura5. Slot
6. Devanado de fase6. Phase winding
7. Imán7. Magnet
0. Módulo de control0. Control module
12. Fuente de alimentación de CC12. DC power supply
14. Elemento de conmutación14. Switching element
20. Unidad de CPU20. CPU unit
30. Interfaz de datos de posición30. Position data interface
40. Interfaz de datos de corriente40. Stream data interface
50. Interfaz de control de corriente 50. Current control interface
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